CN101717999A

CN101717999A - 一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法

Info

Publication number: CN101717999A
Application number: CN200910216384A
Authority: CN
Inventors: 董发勤; 黄哲元; 何平; 钟国清; 代群威
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: CN101717999B

Abstract

本发明公开了一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法。主要步骤分为制备晶种和制备晶须两部分。其中制备晶种包括：料浆配制、醇热反应及恒温保存；制备晶须包括：料浆配制、醇热合成(反应中添加晶种)、离心过滤、表面改性及干燥。所制备出的产品是针状CaSO₄·0.5H₂O或CaSO₄结晶，直径为1～4μm，长径比为30～100。该工艺采用连续反应釜分别制备晶种及晶须，操作简便、易于连续控制，且生产成本较低。产品合成率达97％以上，产品性能优良、成本低廉，可广泛用于造纸、复合材料、摩擦材料、过滤材料、沥青、涂料等行业，具有广阔的应用前景。

Description

一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法

(一)技术领域本发明涉及一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法，属于化工产品中硫酸钙晶须的技术领域，为重结晶工艺。

(二)背景技术晶须是在人为控制条件下生长成的一种纤维状单晶体，由于在结晶时原子结构排列高度有序，以致不容纳在大晶体中常出现的缺陷，其强度接近材料原子间价键的理论强度，因而被作为一种重要的复合材料增强组元。

硫酸钙晶须(Calcium Sulfate Whisker，CSW)，又称石膏纤维，白色蓬松状固体，显微镜下为纤维状或针状单晶体，平均直径1～4μm，平均长度30～150μm，长径比一般为30～80。分为无水、半水、二水CSW三种，其中以无水CSW强度最高。二水CSW超过110℃使用时起不到晶须的增强作用，工业应用前景小；而无水及半水CSW则具有较高的强度和使用价值。其主要性质有以下几方面：(1)具有优良的力学性质：其断面多为六角形、斜方形、三角形或薄带形，不同于玻璃纤维等的圆形断面，大大增加了长径比，能满足增强塑料、防火板材时长径比(30-100)的要求；抗张强度为玻璃纤维的5-10倍；温度升高时不分解软化，强度几乎无损失，可应用于防火材料；无疲劳效应，被磨成粉末、切断后，强度也不受损失。(2)具有良好的相容性，优良平滑性，再生性能好。(3)毒性低：与其他晶须相比，其毒性最低。(4)成本低：硫酸钙晶须国内市场价为10～12元/kg，仅为碳化硅晶须的1/300～1/200。可广泛用于造纸原料、复合材料增强组元、磨擦材料、环境工程过滤材料，用于沥青改性可提高其软化温度、用于涂料和油漆能提高附着能力强、耐温性及绝缘性。

硫酸钙晶须的生成实质是一个溶解-结晶-脱水的过程，即：

①CaSO₄·2H₂O的溶解过程：CaSO₄·2H₂O(颗粒状)→Ca²⁺+SO₄ ^2-+2H₂O

②CaSO₄·0.5H₂O的结晶过程：Ca²⁺+SO₄ ^2-+0.5H₂O→CaSO₄·1/2H₂O(纤维状)

③CaSO₄·0.5H₂O脱水生成无水硫酸钙晶须：CaSO₄·0.5H₂O→CaSO₄(纤维状)+0.5H₂O

该过程是一种重结晶过程，包括使溶液介质达到过饱和、晶体成核以及晶须生长三个阶段。利用自发成核生长，需要在反应初期有一个较高的过饱和度，以至于能够越过成核势垒，产生硫酸钙晶须的晶核，但又要求晶核的数量不能太多，否则只会长出大量小而短的晶须，与实验目的不符。全要获得较高的过饱和度在实际应用中有较大的困难。因此，选择籽晶生长的晶体生长方法，即在原料溶液中放置一定数目的硫酸钙针状晶种：原料放在高压釜内温度稍高的底部(溶解区)，而晶种则悬挂在温度稍低的上部(生长区)。由于高压釜内盛装一定充满度的溶液，更由于溶液上下部分的温差，下部的饱和溶液通过对流而被带到上部，进而由于温度低而形成过饱和析晶于籽晶上。被析出溶质的溶液又流向下部高温区而溶解原料。晶种的加入能提供更多的晶体生长表面，将有效地降低过饱和度，从而抑制新核产生。较小的过饱和度有利于晶体成长，从而颗粒状的生石膏持续成针状生长。

在公开号为CN 1477242A中公开了一种石膏晶须及其制造和应用，以天然或化学石膏为原料，其制备工艺过程包括：粉磨、配浆料、水热反应、液体分离、表面处理、干燥，即得石膏晶须。

在公开号为CN 1796285A中公开了一种石膏晶须的制备方法其制备步骤为：a.将化学石膏提纯成二水石膏；b.将提纯石膏加水磨细，获得浆体打入搪玻璃反应釜；c.向其内加入盐酸或氯盐，煮沸至石膏溶解；d.将溶解的溶液经过搅拌、冷却重结晶出二水石膏晶须；e.将结晶产物甩干；f.甩干的二水石膏晶须经中和处理，活的湿的二水石膏晶须初级产品。

在公开号为CN 1955345A中公开了一种硫酸钙晶须的制备方法。该方法先合成晶化导向剂；再把工业级氧化钙预处理、消化，得石灰乳液；将所得石灰乳液在反应器中升温至40～110℃，加入等摩尔的硫酸溶液，搅拌30～60min，在反应过程中加入晶化导向剂；再经过滤、洗涤、表面处理及干燥得到所需硫酸钙晶须产品。

在公开号为CN 101311355A中公开了一种磷石膏制备硫酸钙晶须的方法。该方法以磷石膏为原料，经合成反应、过滤、加热溶解、热过滤、冷却结晶及干燥后得到硫酸钙晶须产品。产品直径1～4μm，长径比50～200。

由于水热法中采用水为溶剂，而石膏在水中溶解度极低，使得原料的加入量极为有限，这降低了反应初期溶液的过饱和度，需在较高的温度和压强下才能达到过饱和；同时，大量水溶剂存在条件下，形成产物大多以含有结晶水的CaSO₄·2H₂O、CaSO₄·0.67H₂O、CaSO₄·0.5H₂O晶须等为主，结晶水含量难以控制，使得产物纯度不高。

另外，大多水热法都采用自发成核，需要在反应初期有一个较高的过饱和度，由上述硫酸钙晶须形成机理可知：全要获得较高的过饱和度在实际应用中有较大的困难。因此，通过在原料溶液中放置一定数目的纳米硫酸钙晶种，在相变驱动力下，使晶体沿着晶核的(001)面持续成针状生长。

(三)发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法。首先以纯CaSO₄·2H₂O为原料，采用醇热法制取高纯度的硫酸钙晶种；再以提纯后的废渣石膏为原料，醇水热法制备硫酸钙晶须，醇热过程中添加由第一步制备的晶种。

2、技术方案：一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其主要步骤分为制备晶种和制备晶须两部分，其中制备晶种包括：料浆配制、醇热反应及恒温保存；制备晶须包括：料浆配制、醇热合成、离心过滤、表面改性及干燥。

制备晶种的具体工艺步骤是：

①料浆配制：以纯度＞99.9％粒径10μm的石膏为原料，按照原料与溶剂质量比为1∶1配制，加入到连续高压反应釜的釜A中；

②醇热反应：控制釜A反应温度120～150℃，反应压强0.2MPa～0.5MPa，搅拌速度500r/min，反应1～2h；再控制釜体冷冻系统使釜A骤降至0℃。所得晶种直径介于50nm～200nm，长度介于300nm～5000nm。

③恒温保存：将釜A升温至60℃～80℃，控制搅拌速度200r/min，使硫酸钙晶种在釜A中恒温保存。另外，晶种也可采用市售长径比＞5∶1的纳米硫酸钙纤维，加清水配制成固液质量比为1∶1的浆液，置于釜A中恒温保存。

本方法所述的溶剂为二元醇或多元醇与清水按照质量比2∶1～5∶1配制；该二元醇为乙二醇、丙二醇以及丁二醇；多元醇为丙三醇、丁三醇以及戊三醇。

制备晶须的具体步骤是：

①料浆配制：以提纯后纯度≥98％的废渣石膏为原料，控制石膏与溶剂固液质量比为1∶5～1∶20；加入晶形助长剂；用HCl及NaOH调节料浆pH值为4～10；

②醇热反应：将上述浆液置于连续高压反应釜的釜B中，控制反应温度130℃～160℃，反应压强为0.3MPa～0.6MPa，搅拌速度200r/min，恒温反应0.5～2h；开启釜A与釜B连接管道阀并迅速将釜A氮气加压，使釜A浆液推进釜B，推进晶种质量为釜B中石膏质量0.0025％～2％；再将釜B于前述温度继续恒温反应0.5h～4h；最后使釜B自然冷却至室温；

③离心过滤：将釜B产物进行离心过滤，控制离心速率5000r/min，离心10min，滤液回收进行下次醇热反应；

④表面改性：采用硬脂酸或者聚乙烯醇对产物进行表面改性、分散，改性剂用量为石膏原料用量的0.2％～2％；

⑤干燥：将改性后的硫酸钙晶须在100℃～120℃干燥3～4h。

本方法的料浆配制中加入的溶剂为二元醇或多元醇与清水按质量比1∶1～3∶1配制而成的混合溶液；该二元醇为乙二醇或丙二醇、丁二醇；多元醇为丙三醇、丁三醇以及戊三醇，取其中的一种或一种以上的醇按照任意配比组合。加入的助晶剂为按照助晶剂中金属元素A与原料中Ca元素摩尔比为1∶6～1∶12配制成的可溶性钠盐、钾盐或镁盐。

3、本发明的主要优点：

①晶种/晶须制备过程采用二元醇/多元醇作主要溶剂，能提高石膏的溶解度，降低了反应所需温度及压强，提高晶种/晶须合成率；同时又可控制结晶水含量，提高产物纯度。②晶种制备过程采用骤降法将过饱和溶液急速降至0℃，使得硫酸钙在析晶过程中无足够的时间进行生长，从而得到颗粒极小的硫酸钙晶种。③通过在B釜的饱和溶液中放置一定质量的硫酸钙晶种，既缩短了晶核形成时间，又能提供更多的晶体生长表面，有效地降低过饱和度，从而抑制新核产生，有利于晶体成长，从而颗粒状的生石膏持续成针状生长；④晶须制备过程中加入可溶性碱金属盐，通过盐效应提高了生石膏在溶剂中的溶解度，降低了反应温度及压强，提高了反应初期过饱和度，使结晶更容易完成；所得产品为强度较高的CaSO₄·0.5H₂O或CaSO₄晶须，直径为1～4μm，长径比为30～100，产品合成率达97％以上；⑤工艺操作简便、易于控制、生产成本低，且工艺过程对环境无污染；⑥工艺对制备晶须的石膏原料成分无严格要求，适用范围广；所制备的产品可广泛用于造纸、复合材料、摩擦材料、过滤材料、沥青、涂料等行业，具有广阔的应用前景。

(四)具体实施方式

下面是本发明的几个具体实施例。

1.制备晶种的具体实施例：

2.制备晶须的具体实施例：

按上述各实施例配料并按前述工艺方法即可制备出达到本发明的产品。

本发明的实施例均可实施，本发明不限于这些实施例。

Claims

1.一种晶种醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于，主要步骤分为制备晶种和制备晶须两部分，其中制备晶种包括：料浆配制、醇热反应及恒温保存；制备晶须包括：料浆配制、醇热合成(反应中添加晶种)、离心过滤、表面改性及干燥。

2.根据权利要求1所述醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于，制备晶种的具体工艺步骤如下：

②醇热反应：控制釜A反应温度120～150℃，反应压强0.2MPa～0.5MPa，搅拌速度500r/min，反应1～2h；再控制釜体冷冻系统使釜A骤降至0℃。所得晶种直径介于50nm～200nm，长度介于300nm～5000nm；

③恒温保存：将釜A升温至60℃～80℃，控制搅拌速度200r/min，使硫酸钙晶种在釜A中恒温保存。另外，晶种也可采用市售长径比＞5的纳米硫酸钙纤维，加清水配制成固液质量比为1∶1的浆液，置于釜A中恒温保存。

3.根据权利要求2所述制备晶种步骤，其特征在于，所述的溶剂为二元醇或多元醇与清水按照质量比2∶1～5∶1配制；该二元醇为乙二醇、丙二醇以及丁二醇；多元醇为丙三醇、丁三醇以及戊三醇。

4.根据权利要求书1所述的醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于，制备晶须的具体步骤如下：

⑤干燥：将改性后的硫酸钙晶须在100℃～120℃干燥3～4h。

5.根据权利要求4所述醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于：料浆配制中加入的溶剂为二元醇或多元醇与清水按重量比1∶1～3∶1配制而成的混合溶液；该二元醇为乙二醇或丙二醇、丁二醇；多元醇为丙三醇、丁三醇以及戊三醇；取其中的一种或一种以上的醇按照任意配比组合。

6.根据权利要求4所述醇热法制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于：料浆配制加入的助晶剂为按照助晶剂中金属元素A与原料中Ca元素摩尔比为1∶6～1∶12配制成的可溶性钠盐、钾盐或镁盐。